KR100292487B1 - 유도전동기의센서리스벡터제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도전동기의 센서리스 벡터 제어장치에 관한 것으로, 종래 슬립주파수형 벡터제어장치는 속도센서를 통하여 유도전동기의 실제 속도를 검출하게 되는데, 이러한 속도센서의 부착은 본래 유도전동기가 가지고 있는 강인성을 저하시키게 되며, 설치문제로 인하여 설치장소의 한정을 받게 되는 문제점이 있다. 따라서 본 발명은 유도전동기(11)의 실제속도를 기준으로 정토오크 영역과 정출력 영역으로 구분하여 자속지령치를 발생하는 자속지령치 발생기(3)와, 상기 자속지령치 발생기(3)에서 발생한 자속지령치(ω_r)와 속도지령치(ω_r^*)의 오차에 따른 토오크전류 지령치(i_qs^*)를 발생하는 속도 제어기(2)와, 상기 자속지령치 발생기(3)와 회전자 자 속의 오차에 따른 자속전류 지령치(i_ds^*)를 발생하는 자속제어기(5)와, 상기 속도 제어기(2)에서 발생하는 토오크전류 지령치(i_qs^*)와 유도전동기에 흐르는 실제의 토오크 전류(i_qs)의 오차인 토오크분 전류와 상기 자속 제어기(5)에서 출력되는 자속전류 지령치(i_ds^*)와 유도전동기에 흐르는 실제의 자속전류(i_ds)의 오차인 자속분 전류를 각각 자속분 전압지령치(V_ds^*)와 토오크분 전압지령치(V_qs^*)로 변환시켜 출력하는 전류 제어기(8)와, 상기 전류 제어기(8)에서 출력되는 자속분 전압지령치(V_ds^*)와 토오크분 전압지령치(V_qs^*)를 2상의 회전좌표계에서 3상의 정지좌표계 변환시키고, 그 변환된 3상전압(V_as, V_bs, V_cs)을 벡터제어 인버터(10)를 거쳐 유도전동기로 스위칭시간의 형태로 인가하여 회전하게 하는 좌표변환기(10)와, 상기 유도전동기(11)에서 회전시 그로 부터 검출되는 2상전류(i_as, i_cs)를 받아 회전자 좌표계의 d축과 q축으로 변환시킨 전류(i_qs, i_ds)를 출력하는 전류변환기(13)와, 상기 전류변환기(13)에서 출력되는 자속전류(i_ds)에 따라 자속 추정치(λ_dr)을 추정하는 자속 추정기(14)와, 상기 자속 추정기(14)에서 추정한 자속 추정치(λ_dr)과 상기 속도 제어기(2)에서 출력되는 토오크 전류 지령치(i_qs^*)를 이용하여 슬립주파수를 계산하는 슬립 연산기(300)와, 상기 전류변환기(11)에서 변환된 전류(i_qs, i_ds)와 자속 추정기(14)의 자속 추정치(λ_dr) 및 전류제어기(8)의 토오크분 전압지령치(V_qs^*)로 부터 자속각(ω_e) 정보를 구하는 자속각 연산기(100)와, 상기 자속각 연산기(100)의 자속각(ω_e)이 각속도이므로 적분을 행하여 좌표변환에 사용되는 자속각(θ)을 구하여 상기 변환기(9)(13)로 각각 출력하는 적분기(200)와, 상기 자속 추정기(14)의 자속 추정치(λ_dr)과 상기 속도 제어기(2)의 토오크전류 지령치(i_qs^*)를 이용하여 슬립주파수를 계산하는 슬립연산기(300)와, 상기 자속각 연산기(100)의 자속각(ω_e)과 상기 슬립연산기(300)의 슬립주파수의 오차인 유도전동기의 실제 회전속도(ω_r)를 구하여 속도제어기(2)와 자속지령치 발생기(3)로 각각 출력하는 제5비교기(400)로 구성하여, 벡터제어 인버터에 속도센서가 없는 센서리스 제어기법으로 유도전동기를 구동시킴으로써 유도전동기의 기계적 강인성 저하를 방지하고, 속도센서를 사용할 수 없는 곳에 사용하여 유도전동기의 속도 응답성을 향상시키도록 하고, 아울러 설치 장소의 제한을 받지 않도록 한 것이다.

Description

유도전동기의 센서리스 벡터 제어장치{INDUCTION MOTOR SENSORLESS VECTOR CONTROLLER}

본 발명은 널리 사용되는 속도센서가 부착된 슬립주파수형 벡터제어의 경우 속도센서에 의하여 유도전동기 고유의 강인성이 많이 저하되며, 설치장소의 제한을 받게 되는 것을 방지하기 위한 것으로, 특히 속도센서를 제거한 센서리스 제어기법을 이용하여 유도전동기의 속도 응답성을 향상시키기 위한 유도전동기의 센서리스 벡터 제어장치에 관한 것이다.

도 1은 종래 유도전동기의 벡터 제어장치에 대한 블록 구성도로서, 이에 도시된 바와 같이, 유도전동기(11)의 실제 회전속도(ω_r)를 검출하는 속도 검출기(12)와, 상기 속도 검출기(12)에서 검출한 회전속도에 따라 정토오크 영역과 정출력 영역을 구별하여 회전자 자속 지령치를 생성하는 지령치 발생기(3)와, 상기 지령치 발생기(3)에서 생성된 회전자 자속 지령치와 자속 추정기(14)에서 추정한 회전자 자속 추정치를 비교하고 그 비교에 따른 오차를 출력하는 제2비교기(4)와, 상기 제2비교기(4)에서 출력되는 자속에 대한 오차를 보상하기 위한 자속전류 지령치(i_ds^*)를 출력하는 자속 제어기(5)와, 상기 속도 검출기(12)에서 검출한 회전속도(ω_r)와 외부로 부터 입력되는 속도지령치(ω_r^*)를 비교하고 그 비교에 따른 오차를 출력하는 제1비교기(1)와, 상기 제1비교기(1)에서 출력되는 속도에 의한 오차를 보상하기 위한 토오크 전류 지령치(i_qs^*) 출력하는 속도 제어기(2)와, 상기 속도 제어기(2)에서 출력되는 실제의 토오크 전류 지령치(i_qs^*)와 유도전동기 실제의 토오크전류(i_qs)를 비교하여 토오크분 전류를 출력하는 제3비교기(7)와, 상기 자속 제어기(5)에서 출력되는 자속전류 지령치(i_ds^*)와 유도전동기 실제의 자속전류(i_ds)를 비교하여 자속분전류를 출력하는 제4비교기(6)와, 상기 제3비교기(7)의 토오크분 전류와 제4비교기(6)의 자속분전류를 회전좌표 제어를 통하여 각각 자속분 전압지령치(V_ds^*)와 토오크분 전압지령치(V_qs^*)로 변환시켜 출력하는 전류 제어기(8)와, 상기 전류 제어기(8)에서 출력되는 자속분 전압지령치(V_ds^*)와 토오크분 전압지령치(V_qs^*)를 정지좌표계의 3상전압(V_as, V_bs, V_cs)으로 변환시켜 출력하는 좌표변환기(9)와, 상기 좌표변환기(9)의 3상전압(V_as, V_bs, V_cs)을 유도전동기(11)로 인가하여 회전시키도록 하는 벡터제어 인버터(10)와, 상기 유도전동기(11)에서 회전시 그로 부터 검출되는 2상전류(i_as, i_cs)를 받아 회전자 좌표계의 d축과 q축으로 변환시킨 토오크 및 자속전류(i_qs, i_ds)를 출력하는 전류변환기(13)와, 상기 속도 제어기(2)에서 출력되는 토오크 전류 지령치(i_qs^*)와 유도전동기 상수값들을 이용하여 슬립주파수를 계산하는 슬립 연산기(15)와, 상기 슬립 연산기(15)에서 계산된 슬립주파수와 속도검출기(12)에서 검출된 회전속도(ω_r)를 더하는 가산기(16)와, 상기 가산기(16)에서 더해진 값을 적분하여 상기 좌표변환기(9)와 전류변환기(13)에서 사용되는 회전자 자속의 위치(θ)를 설정하여 주는 적분기(17)로 구성된다.

이와 같이 구성된 종래 기술에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

유도전동기(11)가 회전하게 되면 속도 검출기(12)에서 회전속도를 검출하고, 그 검출한 회전속도(ω_r )를 출력한다.

외부로부터 속도지령치(ω_r^*)가 제1비교기(1)의 비반전단자(+)로 입력되면, 그의 반전단자(-)로 상기 회전속도(ω_r )를 받아 두 값의 차를 구하여 속도 제어기(2)로 출력한다.

이때 지령치 발생기(3)는 상기 속도 검출기(12)에서 검출한 회전속도(ω_r )에 따라 정토오크 영역과 정출력 영역을 구별하여 회전자 자속 지령치를 생성하여 제2비교기(4)의 비반전단자(+)로 출력한다.

그러면 상기 제2비교기(4)는 그의 반전단자(-)로 자속 추정치(λ_dr)를 받아 회전자 자속 지령치와의 차를 구하여 자속 제어기(5)로 제공한다.

따라서 상기 자속 제어기(5)는 상기 제2비교기(4)에서 비교한 오차를 보상하기 위하여, 회전자 자속 오차에 따른 자속 전류 지령치( i_ds^* )를 제4비교기(6)의 비반전단자(+)로 출력한다.

그리고 유도전동기(11)의 회전시 그 유도전동기(11)에서 검출한 2상전류(i_as, i_cs)를 전류변환기(13)에서 회전좌표계의 d축과 q축으로 변환시킨 자속전류(i_ds) 및 토오크전류( i_qs)를 각각 출력한다.

이에 상기 전류변환기(13)에서 출력되는 자속전류(i_ds)는 상기 제4비교기(6)의 반전단자(-)로 출력한다.

그러면 상기 제4비교기(6)는 자속 제어기(5)에서 출력되는 자속 전류명령치( i_ds^* )와 전류변환기(13)에서 출력되는 실제의 자속전류(i_ds)와의 오차인 자속분전류를 구하여 전류 제어기(8)로 출력한다.

그리고 제3비교기(7)는 상기 속도 제어기(2)에서 출력되는 토오크 전류지령치(i_qs^*)를 비반전단자(+)로 입력받고 전류변환기(13)에서 출력되는 토오크 전류( i_qs)를 반전단자(-)로 입력받아 두 값의 오차인 토오크분 전류를 구하고, 그 구한 토오크분 전류를 상기 전류 제어기(8)로 출력한다.

그러면 상기 전류 제어기(8)는 제3비교기(7)에서 출력되는 토오크분 전류와 제4비교기(6)에서 출력되는 자속분 전류를 회전좌표 제어를 통하여 각각 자속분 전압지령치(V_ds^*)와 토오크분 전압지령치(V_qs^*)를 생성하여 좌표변환기(9)로 출력한다.

상기 자속분 전압지령치(V_ds^*)와 토오크분 전압지령치(V_qs^*)를 입력받은 좌표변환기(9)는 좌표변환을 통하여 3상전압(V_as, V_bs, V_cs)으로 변환시켜 벡터제어 인버터(10)로 제공한다.

이에 상기 벡터제어 인버터(10)는 3상전압(V_as, V_bs, V_cs)을 유도전동기(11)로 인가한다.

따라서 유도전동기(11)는 회전하고, 이때 전류변환기(13)는 상기 유도전동기(11)에서 2상전류(i_as)(i_cs)를 검출한 후 회전좌표계로 d축과 q축으로 변환한 자속전류(i_ds)와 토오크전류(i_qs)를 생성하고, 이렇게 생성된 전류 중 상기 자속전류(i_ds)는 자속 추정기(14)와 제4비교기(6)로 각각 출력하고 토오크전류( i_qs)는 제3비교기(7)로 출력한다.

그러면 상기 자속 추정기(14)는 전류변환기(13)로부터 입력되는 자속전류(i_ds)에 따른 자속 추정치(λ_dr)를 추정하여 제2비교기(4)로 전달한다.

그리고 슬립 연산기(15)는 속도 제어기(2)에서 출력되는 토오크 전류지령치(i_qs^*)와 유도전동기 상수값들을 이용하여 슬립주파수를 계산하여 가산기(16)의 일측단자로 출력한다.

그러면 상기 가산기(16)는 속도 검출기(12)에서 출력되는 속도(ω_r )와 슬립 연산기(15)에서 출력되는 슬립주파수(ω_sl)를 더하여 적분기(17)로 출력하고, 상기 적분기(17)는 가산기(16)에서 출력되는 값에 대하여 적분한 값 즉, 회전자 자속의 위치(θ)를 좌표변환기(9)와 전류변환기(13)로 각각 출력한다.

따라서 상기 좌표변환기(9)와 전류변환기(13)는 적분기(17)로부터 입력되는 회전자 자속의 위치(θ)에 따라 좌표변환을 제어하고, 이후의 동작은 앞에서 언급한 바와 같다.

다시말하면, 슬립주파수형 벡터제어는 슬립 연산기(15)를 통하여 생성된 슬립주파수와 속도 검출기(12)를 통해 검출된 속도(ω_r )를 가산기(16)를 통하여 더한 후에 적분기(17)를 거쳐 적분한 값 즉, 회전자 자속의 위치(θ)로 좌표변환기(9)와 전류변환기(13)를 제어하는 것이다.

즉, 슬립주파수형 벡터제어장치는 회전자 자속의 위치 θ를 슬립 연산기(15)를 통하여 추정하는 방식이다.

그러나, 상기에서와 같은 종래기술의 슬립주파수형 벡터제어장치는 속도센서를 통하여 유도전동기의 실제 속도를 검출하게 되는데, 이러한 속도센서의 부착은 본래 유도전동기가 가지고 있는 강인성을 저하시키게 되며, 설치문제로 인하여 설치장소의 한정을 받게 되는 문제점이 있다.

따라서 상기에서와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 속도센서를 제거한 센서리스 제어기법을 사용하여 속도센서로 인한 유도전동기의 기계적 강인성 저하를 방지하도록 한 유도전동기의 센서리스 벡터 제어장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 속도센서를 사용할 수 없는 경우에 센서리스 제어기업을 사용하여 유도전동기의 속도 응답성을 향상시키도록 한 유도전동기의 센서리스 벡터 제어장치를 제공함에 있다.

도 1은 종래 유도전동기의 벡터 제어장치에 대한 회로 구성도.

도 2는 본 발명 유도전동기의 센서리스 벡터 제어장치에 대한 회로 구성도.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

1 : 제1비교기 2 : 속도제어기

3 : 지령치 발생기 4 : 제2비교기

5 : 자속 제어기 6 : 제4비교기

7 : 제3비교기 8 : 전류 제어기

9 : 좌표변환기 10 : 벡터제어 인버터

11 : 유도전동기 13 : 전류변환기

14 : 자속 추정기 100 : 자속각 연산기

200 : 적분기 300 : 슬립 연산기

400 : 제5비교기

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 속도지령치와 유도전동기 실제 회전속도의 오차에 따른 토오크전류 지령치를 발생하는 속도 제어기와, 상기 실제 회전속도를 기준으로 정토오크 영역과 정출력 영역으로 구분하여 자속지령치를 발생하는 자속지령치 발생기와, 상기 속도지령치와 자속지령치를 비교한 오차에 따른 토오크전류 지령치를 발생하는 자속 제어기와, 상기 토오크전류 지령치와 실제 토오크전류의 오차에 따른 토오크분 전류와 상기 자속전류 지령치와 실제 자속전류의 오차에 따른 자속분 전류를 각각 자속분 전압지령치와 토오크분 전압지령치로 변환시켜 출력하는 전류 제어기와, 상기 자속분 전압지령치와 토오크분 전압지령치를 2상의 회전좌표계에서 3상의 정지좌표계 변환시키고, 그 변환된 3상전압을 벡터제어 인버터로 출력하여 유도전동기를 스위칭시간의 형태로 회전시키기 위한 좌표변환기와, 유도전동기 회전시 검출되는 2상전류를 회전자 좌표계의 d축과 q축으로 변환시킨 실제의 토오크전류와 자속전류를 출력하는 전류변환기와, 상기 전류변환기에서 출력되는 자속전류에 따라 자속 추정치를 추정하여 출력하는 자속 추정기와, 상기 자속 추정치와 상기 속도 제어기에서 출력되는 토오크 전류 지령치를 이용하여 슬립주파수를 계산하는 슬립 연산기와, 상기 전류변환기에서 출력되는 토오크전류와 자속전류 그리고 자속 추정치 및 전류제어기의 토오크분 전압지령치를 이용하여 자속각을 구하는 자속각 연산기와, 상기 자속각 연산기의 자속각이 각속도이므로 적분을 행하여 좌표변환에 사용되는 자속각을 구하여 상기 좌표변환기와 전류변환기로 각각 출력하는 적분기와, 상기 자속 추정치과 토오크전류 지령치를 이용하여 슬립주파수를 계산하는 슬립연산기와, 상기 자속각과 슬립주파수의 오차인 유도전동기의 실제 회전속도를 구하여 속도 제어기와 자속지령치 발생기로 각각 출력하는 비교기로 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.

도 2는 본 발명 유도전동기의 센서리스 벡터 제어장치에 대한 회로 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이, 외부로부터 입력되는 속도지령치(ω_r^*)와 유도전동기의 실제 회전속도(ω_r)의 오차를 구하여 출력하는 제1비교기(1)와, 상기 제1비교기(1)에서 발생한 오차로부터 토오크전류 지령치(i_qs^*)를 발생하는 속도 제어기(2)와, 유도전동기의 실제 회전속도(ω_r)를 기준으로 정토오크 영역과 정출력 영역으로 구분하여 자속지령치를 발생하는 자속지령치 발생기(3)와, 상기 자속지령치와 자속 추정치(λ_dr)의 오차를 구하는 제2비교기(4)와, 상기에서 출력되는 오차에 따른 자속전류 지령치(i_ds^*)를 발생하는 자속제어기(5)와, 상기 속도 제어기(2)에서 발생하는 토오크전류 지령치(i_qs^*)와 유도전동기에 흐르는 실제의 토오크전류(i_qs)의 오차를 구하고, 그 오차에 따른 토오크분 전류를 출력하는 제3비교기(7)와, 상기 자속 제어기(5)에서 출력되는 자속전류 지령치(i_ds^*)와 유도전동기에 흐르는 실제의 자속전류(i_ds)의 오차인 자속분 전류를 출력하는 제4비교기(6)와, 상기 제3비교기(7)와 제4비교기(6)에서 비교된 후 출력되는 토오크분 전류와 자속분 전류를 각각 자속분 전압지령치(V_ds^*)와 토오크분 전압지령치(V_qs^*)로 변환시켜 출력하는 전류 제어기(8)와, 상기 전류 제어기(8)에서 출력되는 자속분 전압지령치(V_ds^*)와 토오크분 전압지령치(V_qs^*)를 2상의 회전좌표계에서 3상의 정지좌표계 변환시키고, 그 변환된 3상전압(V_as, V_bs, V_cs)을 출력하는 좌표변환기(9)와, 상기 좌표변환기(9)의 3상전압(V_as, V_bs, V_cs)을 유도전동기(11)로 스위칭시간의 형태로 인가하여 회전하게 하는 벡터제어 인버터(10)와, 상기 유도전동기(11) 회전시 그로 부터 검출되는 2상전류(i_as, i_cs)를 받아 회전자 좌표계의 d축과 q축으로 변환시킨 전류(i_qs, i_ds)를 출력하는 전류변환기(13)와, 상기 전류변환기(13)에서 출력되는 자속전류(i_ds)에 따라 자속 추정치(λ_dr)을 추정하는 자속 추정기(14)와, 상기 자속 추정기(14)에서 추정한 자속 추정치(λ_dr)과 상기 속도 제어기(2)에서 출력되는 토오크 전류 지령치(i_qs^*)를 이용하여 슬립주파수를 계산하는 슬립 연산기(300)와, 상기 전류변환기(11)에서 변환된 전류(i_qs, i_ds)와 자속 추정기(14)의 자속 추정치(λ_dr) 및 전류제어기(8)의 토오크분 전압지령치(V_qs^*)로부터 자속각(ω_e) 정보를 구하는 자속각 연산기(100)와, 상기 자속각 연산기(100)의 자속각(ω_e)이 각속도이므로 적분을 행하여 좌표변환에 사용되는 자속각(θ)을 구하여 상기 변환기(9)(13)로각각 출력하는 적분기(200)와, 상기 자속 추정기(14)의 자속 추정치(λ_dr)과 상기 속도 제어기(2)의 토오크전류 지령치(i_qs^*)를 이용하여 슬립주파수를 계산하는 슬립연산기(300)와, 상기 자속각 연산기(100)의 자속각(ω_e)과 상기 슬립연산기(300)의 슬립주파수의 오차인 유도전동기의 실제 회전속도(ω_r)를 구하여 제1비교기(1)와 자속지령치 발생기(3)로 각각 출력하는 제5비교기(400)로 구성한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

유도전동기의 고정자 전압의 상태 방정식은 아래의 식(1)과 같이 나타난다.

.............................. (1)

상기 식(1)로부터 직교 회전자좌표계 d,q축으로 표시된 유도전동기의 전압 방정식을 구하면 아래의 식(2)와 같이 나타난다.

..........(2)

그리고, 식(1)로부터 회전자 자속방정식 및 슬립 연산기에 사용되는 슬립주파수는 각각 식(3)과 식(4)로 나타낼 수 있다.

........................................ (3)

.................... (4)

유도전동기 벡터 제어장치는 유도전동기에 흐르는 3상의 변수값들을 서로 직교하는 d,q축으로 변환하여 서로 간섭이 일어나지 않도록 상호 독립적으로 제어하는 장치로, 이때 유도전동기의 속도제어를 위하여 고정자 전류의 자속분전류 i_ds를 일정하게 하고, 토오크전류 i_qs를 제어하여 속도를 제어하게 된다.

이러한 조건에서 유도전동기에 인가되는 주파수와 동일한 속도로 이동하는 회전자 좌표계의 d축에 회전자 자속의 축을 일치시키면, d축의 자속이 유도전동기의 자속과 같아지고, q축의 자속분은 존재하지 않는 아래의 식(5)의 조건을 가정할 수 있다.

.................................... (5)

식(2)로 부터 회전자 자속에 관련된 식으로 정리하면 식(6)(7)로 변형할 수 있다.

식(2)에서 회전자 유기전압 방정식을 구하면 아래식과 같다.

이때 토오크분 유기전압을 eM, 자속분 유기전압을 eT라고 정의한다.

...........(6)

...........(7)

단,

식(7)로부터 벡터제어가 되고 있다면 회전자 자속은 d축 성분만이 존재하고, q축성분은 존재하지 않는다는 식(5)의 조건을 이용하여 식(7)을 정리하면 아래의 식과 같다.

.................(8)

식(8)의 좌변 및 우변에 있는 자속각의 회전속도 ω_e에 대하여 정리하면 식(9)와 같고, 식(9)를 이용하여 ω_e를 구한다.

.....................................(9)

식(9)에서 볼 수 있듯이 센서리스 벡터제어를 하기 위하여 구한 자속의 회전속도 ω_e를 구한 후 이를 적분하면 자속각 θ를 구하게 된다.

식(9)에 사용된 변수로는 유도전동기(11)의 정수값과 회전좌표계로 표시된 q축 전압, d축 전류, 자속값 등이 사용된다.

종래의 슬립주파수형 벡터제어의 경우 전류센서에 의해 센싱된 전류를 좌표변환기를 통하여 3상의 전류를 2상의 회전좌표계로 변환하므로 본 발명의 센서리스 제어기법에서도 동일한 형태로 변환된 회전좌표계의 전류를 사용하면 되므로 별도의 추가회로가 필요하지 않다.

또한 회전좌표계로 표시된 q축전압(V_qs)는 유도전동기의 입력단쪽에서 측정하지 않고, 제어기 내부에서 연산된 값을 그대로 사용하면 된다.

3상 유도전동기를 제어하기 위한 벡터제어 인버터(10)의 경우에 암쇼트를 방지하기 위하여 온(on) 딜레이에 해당하는 소정의 데드타임을 주게 된다.

이 데드타임에 의하여 지령치 전압과 실제 유도전동기(11)에 인가되는 전압의 차이가 발생된다.

이러한 전압왜곡이 없다면 지령치 전압을 실제치 전압과 동일하다고 생각할 수 있다.

본 발명에서는 데드타임 보상회로를 통하여 이러한 전압왜곡을 제거하였으며, 이러한 보상회로는 본 발명의 범위에 해당하지 않으므로 설명을 생략한다.

이상에서 설명한 센서리스 벡터제어기법에 의해 동작하는 벡터제어 장치에 대하여도 2에 의거하여 살펴보면 다음과 같다.

제1비교기(1)에서 외부로부터 입력되는 속도지령치(ω_r^*)와 유도전동기(11)의 실제 회전속도(ω_r)의 오차(ω_r^*-ω_r)를 구하여 속도 제어기(2)로 출력한다.

그러면 상기 속도 제어기(2)는 속도지령치와 실제 회전속도의 오차로부터 토오크전류 지령치(i_qs^*)를 생성하여 제3비교기(7)의 비반전단자(+)와 슬립연산기(300)로 각각 출력한다.

이때 자속지령치 발생기(3)는 유도전동기(11)의 실제속도를 기준으로 정토오크 영역과 정출력 영역으로 구분하여 자속지령치를 발생시키고, 자속 추정기(14)는 유도전동기(11)의 자속전류(i_ds)에 따라 자속 추정치(λ_dr)을 추정하여 발생시킨다.

여기서 자속 추정기(14)에 의한 유도전동기의 자속 추정치(λ_dr)는 앞에서 설명한 식(4)를 이용하여 구할 수 있다.

그러면 제2비교기(4)는 자속지령치 발생기(3)에서 발생하는 자속지령치와 자속 추정기(14)의 자속 추정치(λ_dr)의 오차를 구하여 자속 제어기(5)로 출력한다.

이에 상기 자속 제어기(5)는 상기 제2비교기(4)에서 출력되는 오차에 따른 자속전류 지령치(i_ds^*)를 제4비교기(6)의 비반전단자(+)로 출력한다.

그러면 상기 제4비교기(6)는 그의 반전단자(-)로 입력되는 유도전동기(11)의 자속전류(i_ds)와의 오차인 자속분 전류를 구하여 전류제어기(8)로 출력한다.

그리고 제3비교기(7)는 속도 제어기(2)에서 출력되는 토오크전류 지령치(i_qs^*)를 비반전단자(+)로 입력받고, 그의 반전단자(-)로 유도전동기(11)의 실제의 토오크전류(i_qs)를 입력받아 두 값의 오차인 토오크분 전류를 구하여 상기 전류제어기(8)로 출력한다.

따라서 전류제어기(8)는 제3비교기(7)에서 출력되는 토오크분 전류와 제4비교기(6)에서 출력되는 자속분 전류를 각각 입력받아 회전좌표 제어를 통하여 자속분 전압지령치(V_ds^*)와 토오크분 전압 지령치(V_qs^*)를 좌표변환기(9)로 출력한다.

상기 좌표변환기(9)는 전류제어기(8)에서 출력되는 자속분 전압 지령치(V_ds^*)와 토오크분 전압 지령치(V_qs^*)를 2상의 회전좌표계에서 3상의 정지좌표계로 변환시키고, 그 변환된 정지좌표계의 3상전압(V_as, V_bs, V_cs)을 벡터제어 인버터(10)로 제공한다.

이에 상기 벡터제어 인버터(10)는 3상전압(V_as, V_bs, V_cs)을 스위칭시간의 형태로 유도전동기(11)에 인가하여 지령치 속도로 회전시킨다.

이렇게 유도전동기(11)가 회전할 때 흐르는 2상전류(i_as, i_cs)를 전류변환기(13)에서 회전자 좌표계의 d축과 q축으로 변환시키고, 그 변환시킨 토오크 전류와 자속전류(i_qs,i_ds)를 출력하는데, 이중 토오크 전류(i_qs)는 자속각 연산기(100)와 제3비교기(7)로 출력하고 자속전류(i_ds)는 자속 추정기(14)와 자속각 연산기(100)및 제4비교기(6)로 각각 출력한다.

그러면 상기 자속각 연산기(100)는 벡터제어를 하기 위한 좌표변환기(9)와 전류변환기(13)로 자속각(θ)을 공급하기 위하여 전류변환기(13)에서 출력되는 토오크전류(i_qs)와 자속전류(i_ds) 그리고 전류제어기(8)에서 출력되는 토오크분 전압 지령치(V_qs^*)를 이용하여 앞에서 설명한 식(9)에서 회전자 자속각(ω_e)을 구하여 적분기(200)로 출력한다.이렇게 구해진 값은 회전자 자 속의 각속도이므로 적분기(200)에서 적분을 하면 좌표변환에 사용되는 각속도(θ)를 구하게 되므로, 적분기(200)는 구해진 각속도(θ)를 상기 좌표변환기(9)와 전류변환기(13)로 각각 출력한다.

이때 슬립연산기(300)는 자속 추정기(14)에서 출력되는 자속 추정치(λ_dr)와 속도 제어기(2)에서 출력되는 토오크전류 지령치(i_qs^*)를 입력으로 하여 슬립주파수(ω_sl)를 계산하여 제5비교기(400)의 반전단자(-)로 출력한다.

여기서 슬립주파수(ω_sl)는 앞에서 설명한 식(3)과 같다.

그런데 속도제어기(2)의 연산에 사용되는 실제 유도전동기(11)의 속도인 회전속도를 구해야 한다.

따라서 상기 자속각 연산기(100)에서 회전자 자속각(ω_e)을 제5비교기(400)로 출력한다.

그러면 상기 제5비교기(400)는 자속각 연산기(100)에서 출력되는 회전자 자속각(ω_e)을 비반전단자(+)로 입력받고, 그의 반전단자(-)로 슬립연산기(300)에서 출력되는 슬립주파수(ω_sl)를 입력받아 두 값의 차(ω_e -ω_sl)를 구한다.

상기 두 값의 차(ω_e -ω_sl)가 실제 유도전동기(11)의 회전속도(ω_r)가 된다.

이렇게 구해진 실제 유도전동기(11)의 회전속도(ω_r)는 제1비교기(1)와 지령치 발생기(3)로 제공한다.

이에 따라 속도 제어기(2)와 지령치 발생기(3)가 동작하고, 앞에서 설명한 동작이 반복된다.

이와 같이 벡터제어 인버터(10)에 속도센서가 없는 센서리스 제어기법으로 유도전동기를 구동한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 벡터제어 인버터에 속도센서가 없는 센서리스 제어기법으로 유도전동기를 구동시킴으로써 유도전동기의 기계적 강인성 저하를 방지하고, 속도센서를 사용할 수 없는 곳에 사용하여 유도전동기의 속도 응답성을 향상시키도록 하고, 아울러 설치 장소의 제한을 받지 않도록 한 효과가 있다.

Claims (1)

1. 속도지령치와 유도전동기 실제 회전속도의 오차에 따른 토오크전류 지령치를 발생하는 속도 제어기와, 상기 실제 회전속도를 기준으로 정토오크 영역과 정출력 영역으로 구분하여 자속지령치를 발생하는 자속지령치 발생기와, 상기 속도지령치와 자속지령치의 오차에 대응하는 토오크전류 지령치를 발생하는 자속 제어기와, 상기 토오크전류 지령치와 실제 토오크전류의 오차에 따른 토오크분 전류 그리고 상기 자속전류 지령치와 실제 자속전류의 오차에 따른 자속분 전류를 각각 자속분 전압지령치와 토오크분 전압지령치로 변환시켜 출력하는 전류 제어기와, 상기 자속분 전압지령치와 토오크분 전압지령치를 2상의 회전좌표계에서 3상의 정지좌표계 변환시키고, 그 변환된 3상전압을 벡터제어 인버터로 출력하여 유도전동기를 스위칭시간의 형태로 회전시키기 위한 좌표변환기와, 상기 유도전동기 회전시 그로 부터 검출되는 2상전류를 회전자 좌표계의 d축과 q축으로 변환시킨 실제의 토오크전류와 자속전류를 출력하는 전류변환기와, 상기 전류변환기에서 출력되는 자속전류에 따라 자속 추정치를 추정하여 출력하는 자속 추정기와, 상기 자속 추정치와 상기 속도 제어기에서 출력되는 토오크 전류 지령치를 이용하여 슬립주파수를 계산하는 슬립 연산기와, 상기 전류변환기에서 출력되는 토오크전류와 자속전류 그리고 자속 추정치 및 전류제어기의 토오크분 전압지령치를 이용하여 자속각을 구하는 자속각 연산기와, 상기 자속각 연산기의 자속각이 각속도이므로 적분을 행하여 좌표변환에 사용되는 자속각을 구하여 상기 좌표변환기와 전류변환기로 각각 출력하는 적분기와, 상기 자속 추정기의 자속 추정치과 상기 속도 제어기의 토오크전류 지령치를 이용하여 슬립주파수를 계산하는 슬립연산기와, 상기 자속각 연산기의 자속각과 상기 슬립연산기의 슬립주파수의 오차인 유도전동기의 실제 회전속도를 구하여 속도 제어기와 자속지령치 발생기로 각각 출력하는 비교기로 구성된 것을 특징으로 하는 유도전동기의 센서리스 벡터 제어장치.

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